(57)【要約】  基本波を第２高調波に変換する波長変換素子３の製造方法において、非線形光学結晶基板１に周期状の分極反転構造を形成（ステップ２）後、非線形光学結晶基板１の温度を位相整合温度近傍に保持した状態で、基本波を位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで、基本波と同じ波長の第１の光４を照射入射するエージング工程（ステップ４）とを備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法とした。
2011024392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を第２高調波に変換する波長変換素子の製造方法であって、
非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、前記非線形光学結晶の温度を位相整合温度近傍に保持した状態で、位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで、前記基本波と同じ波長の第１の光を照射するエージング工程を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記エージング工程で出力される第２高調波の出力が０．５Ｗ以上３Ｗ未満であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記エージング工程で出力される第２高調波の出力とエージング時間との積である第２高調波出力光積算量が６００Ｗ・ｈｒ以上であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記位相整合温度が４０℃より高く８０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項５】
基本波を第２高調波に変換する波長変換素子の製造方法であって、
非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、前記非線形光学結晶内に前記基本波の波長近傍の第１の光と前記第２高調波と波長近傍の第２の光とを位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで照射するエージング工程を備えることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１の光と前記第２の光が平行して、伝搬方向から入射することを特徴とする請求項５に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の光と前記第２の光とが前記非線形光学結晶内で交差するように入射することを特徴とする請求項５に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、かつ、前記エージング工程の前に、所定の熱処理温度で所定の熱処理時間保持する熱処理工程を設けることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理工程において、前記熱処理温度を８５℃、かつ、前記熱処理時間を１２５時間以上とすることを特徴とする請求項８に記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
前記エージング工程実施後の波長変換素子の保管温度が、８０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源装置等に利用される第２高調波発生波長変換素子（以下、ＳＨＧ波長変換素子あるいは単に波長変換素子と称す）の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＡｒガスレーザやＫｒガスレーザ等のガスレーザ光源装置が知られているが、これらのエネルギー変換効率は０．１％と低く、また冷却機構が必要なため、装置の小型化が難しかった。そのため、映像用や医療用のレーザとして高効率である非線形光学効果を用いた波長変換レーザ装置が注目されている。非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶が必要であり、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）の様な強誘電体非線形結晶を周期的に分極反転させたＳＨＧ波長変換素子が用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
このＳＨＧ波長変換素子は、基本波に対する波長位相整合温度範囲が±１度以内と狭いので、ペルチェ素子などの温度調節機構を用いたＳＨＧ波長変換素子の温度制御が必要になる（例えば、特許文献２参照）。【０００４】
また、分極反転を施したＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の高非線形光学結晶を用いた波長変換素子では、光損傷による屈折率変化（フォトリフラクティブ）により出力が不安定となる現象が生じる。特に、グリーン光などの第２高調波光を入射すると数秒〜数分程度の短時間で屈折率変化が発生することが知られている。【０００５】
一方、Ｍｇ、Ｉｎ，Ｓｃ，Ｚｎなど金属添加物を添加することで、光損傷の発生が抑圧されるとの報告がされている。中でも特にＭｇＯドープＬＮ結晶が、高い非線形光学定数と結晶性の良否の点からも、最も有望であり、５．０ｍｏｌ以上添加したコングルエント組成ＰＰＬＮ結晶では、光損傷を抑制することが可能であると報告されている（例えば、特許文献３、４、及び非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１４４３５４号公報
【特許文献２】特開平８−１７１１０６号公報
【特許文献３】特開平５−１５５６９４号公報
【特許文献４】特開平７−８９７９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．」、ｖｏｌ４４、Ｐ．８４７、１９８４、Ｄ．Ａ．Ｂｒｙａｎ、ｅｔ、ａｌ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、例え、金属添加物を添加していても、波長変換素子の第２高調波の出力が１Ｗ以上になると、波長変換素子の屈折率が時間と共に増加するため、位相整合温度が変化して出力が低下する。すなわち、前記従来の構成では、波長変換素子を用いて１Ｗ以上のレーザ光を出力すると、その出力が時間とともに低下するという課題を有していた。【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高出力のレーザ光を長時間出力した場合においても、経時的な出力の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の波長変換素子の製造方法は、基本波を第２高調波に変換する波長変換素子の製造方法であって、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、前記非線形光学結晶の温度を位相整合温度近傍に保持した状態で、位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで、前記基本波と同じ波長の第１の光を照射するエージング工程を備えることを特徴とする。【００１１】
また、前記エージング工程で出力される第２高調波の出力が０．５Ｗ以上３Ｗ未満であることが好ましい。【００１２】
また、前記エージング工程で出力される第２高調波の出力とエージング時間との積である第２高調波出力光積算量が６００Ｗ・ｈｒ以上であることが好ましい。【００１３】
また、前記位相整合温度が４０℃より高く８０℃以下であることが好ましい。【００１４】
また、基本波を第２高調波に変換する波長変換素子の製造方法であって、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、前記非線形光学結晶内に前記基本波の波長近傍の第１の光と前記第２高調波と波長近傍の第２の光とを位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで照射するエージング工程を備えることを特徴とする。【００１５】
また、前記第１の光と前記第２の光が平行して、伝搬方向から入射しても良い。【００１６】
また、前記第１の光と前記第２の光とが前記非線形光学結晶内で交差するように入射しても良い。【００１７】
また、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、かつ、前記エージング工程の前に、所定の熱処理温度で所定の熱処理時間保持する熱処理工程を設けることが好ましい。【００１８】
また、前記熱処理工程において、前記熱処理温度を８５℃、かつ、前記熱処理時間を１２５時間以上とすることが好ましい。【００１９】
また、前記エージング工程実施後の波長変換素子の保管温度が、８０℃以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後に、波長変換素子に前記基本波と同じ波長の第１の光を照射しておくことにより、位相整合温度の変化をあらかじめ飽和させておくことができるため、高出力のレーザ光を長時間出力した場合においても、経時的な出力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１における波長変換素子の製造方法を示すフローチャート
【図２】実施の形態１における波長変換素子の製造方法を示す工程断面図
【図３】実施の形態１におけるエージング処理を説明する断面図
【図４】実施の形態１における第１の光の照射時間に対する位相整合温度の単位時間当たりの変化量を示す図
【図５】実施の形態１における第２高調波出力光積算量に対する初期の位相整合温度からの変化量の関係を示す図
【図６】波長変換素子の連続運転時の高周波出力の時間的変化を示す図
【図７】波長変換素子の保管温度に対する位相整合温度の変化量を示す図
【図８】実施の形態２における波長変換素子の製造方法でのエージング工程を説明する断面図
【図９】実施の形態３における波長変換素子の製造方法でのエージング工程を説明する断面図
【図１０】実施の形態４における波長変換素子の製造方法を示すフローチャート
【図１１】実施の形態４における波長変換ユニットを示す断面図
【図１２】実施の形態５における波長変換素子の製造方法を示すフローチャート
【図１３】実施の形態５における熱処理工程の熱処理時間に対する波長変換素子の初期からの位相整合温度変化量の関係を示す図
【図１４】熱処理の有無による位相整合温度変化の差を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（本発明の背景）
はじめに、本発明の背景に関して説明する。
【００２３】
発明者らは、本発明の課題である高出力波長変換時の出力低下の原因が、波長変換素子の位相整合温度の変化によるものであることを実験により明らかにした。この実験に用いた波長変換素子は、周期７ミクロン程度の周期分極反転構造を備えたＭｇドープＬｉＮｂＯ３結晶であり、位相整合温度は約５０℃である。ここでいう位相整合温度とは、基本波から第２高調波への変換効率が最大になる温度であり、基本波の波長、分極反転周期によって異なる。本実験では、このような波長変換素子を用い、波長変換素子内に７Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を集光することにより、波長５３２ｎｍの第２高調波（約２Ｗ）を得る波長変換処理を行った。このとき、出力の時間変化を観測したところ、数時間で出力が初期の半分以下に低下する現象が見られた。同時に、波長変換素子の位相整合温度は、設定時よりも高温側に変化していた。この位相整合温度の変化は、高出力の基本波と第２高調波が引き起こしたものであり、屈折率の変化によって発生していると思われる。これは以下の理由により想到される。まず、光照射による屈折率変化は、光損傷によって発生することが報告されているが、波長５３２ｎｍの光に対して、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３では光損傷が発生しない。また、光損傷による屈折率変化は、光照射を止めると元に戻る可逆的な現象である。一方、今回観察された位相整合温度の変化は、５０℃で数ヶ月放置しても屈折率変化が保持される不可逆的な現象である。また、今回観察された屈折率の温度変化は、波長５３２ｎｍまたは１０６４ｎｍの光を単独で照射した場合は発生せず、基本波と第２高調波を同時に照射したときのみ発生した。これらのことより、本実験による出力が低下する現象は光損傷が原因ではなく、今まで観測されていない現象であり、その原因は基本波と第２高調波の同時照射により屈折率が変化したことであると考えられる。さらに、これまで位相整合温度は、波長変換素子固有のものとされ、基本波の出力を上げたときの位相整合温度の変化は知られていなかった。位相整合温度が変化しても新たな位相整合温度で波長変換すれば変換効率自体の低下は見られないが、位相整合温度自体が変化することにより設定温度と位相整合温度にずれが生じ、出力が低下するという現象が発生していた。以上のことより、高出力の第２高調波を出力する際には、位相整合温度の変化を防止することが重要であることが分かった。本発明の特徴は、高出力の第２高調波を出力する場合の位相整合温度の変化を防止することである。
【００２４】
以下、本発明の波長変換素子の製造方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法に関して図１〜図７を用いて説明する。
【００２５】
図１は、実施の形態１における波長変換素子の製造方法を示すフローチャートである。また、図２は、実施の形態１における波長変換素子の製造方法を示す工程断面図であり、図２（ａ）は波長変換素子の材料となる非線形光学結晶基板の断面図（図１中のステップ１）、図２（ｂ）は分極反転部形成工程（図１中のステップ２）後の断面図、図２（ｃ）はエージング工程（図１中のステップ３）後の断面図を示すものである。図３は、実施の形態１におけるエージング処理を説明する断面図を示すものである。
【００２６】
図１に示す工程ごとに波長変換素子の製造方法を説明する。
（１）ステップ１：非線形光学結晶基板準備工程
まず、波長変換素子の材料となる非線形光学結晶基板を準備する。
【００２７】
本実施の形態においては、非線形光学結晶基板１を製造するために用いるウェハは、厚さ１ｍｍ、Φ７６．２ｍｍで、ＭｇＯが５．０ｍｏｌ％含有され、Ｚ軸に結晶方位が配向されたＬｉＮｂＯ３結晶を用いる。
【００２８】
本実施の形態で用いる非線形光学結晶基板１の断面図を図２（ａ）に示す。この非線形光学結晶基板１は、厚さ１ｍｍ、Φ７６．２ｍｍのウェハから切り出した厚さ１ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ２５ｍｍ程度の直方体である。図２は直方体の断面（厚さ１ｍｍ×長さ２５ｍｍとなる）を観察した図である。
（２）ステップ２：分極反転部形成工程
次に、非線形光学結晶基板１内部に、周期状に分極反転部２を形成（すなわち、周期状の分極反転構造を形成）する。
【００２９】
この工程では、はじめに、非線形光学結晶基板１の分極反転部２を形成する部分に電極パターン（図示せず）を形成する。本実施の形態においては、基本波として波長１０６４ｎｍの光を波長変換素子３に入力し、波長５３２ｎｍの第２高調波を波長変換素子３から出力するレーザ光源装置に用いるための波長変換素子３となるようにするため、この分極反転部２の周期（図２（ｂ）中のＡに相当）は７ｕｍとする。
【００３０】
この電極パターンの形成には、スパッタ装置を用いて、非線形光学結晶基板１の表面１ａにタンタル（Ｔａ）の薄膜を形成し、コーター・デベロッパ装置によりタンタル薄膜全面にフォトレジストを塗布する。次に、電極となる繰返しパターンを持つマスクとフォトレジストが塗布された基板とをコンタクトさせ、露光器により露光する。この後、コーター・デベロッパ装置によってマスク上のパターンが転写されたフォトレジストを現像、エッチングすることで電極パターンを形成する。
【００３１】
次に、この電極パターンに、パルス電界を印加し、周期状に分極反転部２を形成する。このパルス電界の印加による結晶内部の原子移動により、電極パターン部の結晶方位における分極方位が反転されることで周期状に分極反転部２が形成できる。
【００３２】
次に、この電極パターンを除去する。電極パターンがタンタル（Ｔａ）で形成されている場合には、フッ硝酸溶液を用いる。
【００３３】
以上のように、この工程において、図２（ｂ）に示すように、非線形光学結晶基板１内部に、周期状に分極反転部２が形成（すなわち、周期状の分極反転構造が形成）される。
（３）ステップ３：端面処理工程 
次に、非線形光学結晶基板１の両端１ｂを光学研磨し、その後、その光学研磨面上にスパッタ装置で反射防止膜を形成する。
【００３４】
こうすることによって、非線形光学結晶基板１に、レーザ光等の光が入出力できるようにすることができる。
（４）ステップ４：エージング工程
図３に示すように、非線形光学結晶基板１に、非線形光学結晶基板１の温度を位相整合温度近傍に保持した状態で、基本波と同じ波長の第１の光４を照射する。基本波の照射により位相整合温度は変化するが、その変化量は照射時間が経過すると小さくなるので、後述するステップ５のように、この非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで基本波を照射する。
【００３５】
ここで、基本波とは、前述のように、非線形光学結晶基板１（すなわち、このエージング工程後の波長変換素子３）が用いられるレーザ光源装置において、波長変換素子３に入力する基本波のことである。本実施の形態においては、前述のように、基本波として波長１０６４ｎｍの光を波長変換素子３に入力し、波長５３２ｎｍの第２高調波を波長変換素子３から出力するので、第１の光４の波長は、１０６４ｎｍとなる。
【００３６】
また、集光光学系５は、図３に示すように、第１の光４を非線形光学結晶基板１内部に集光するために、非線形光学結晶基板１の、第１の光４を入射する面側に配置してある。
【００３７】
また、非線形光学結晶基板１は温度制御部６上に配置されており、電子的に温度を可変にすることができるように構成されている。このような構成によって、温度制御部６により非線形光学結晶基板１の温度を位相整合温度近傍に制御している。
【００３８】
また、非線形光学結晶基板１内部には、前述のように、周期状に分極反転部２を備えた周期分極反転構造が形成されており、集光された第１の光４は非線形光学結晶基板１内部で第２高調波７に変換される。
【００３９】
また、第１の光４が非線形光学結晶基板１を通過する領域を第１の光のビーム伝搬領域８、第２高調波７が非線形光学結晶基板１内部を通過する領域を第２高調波のビーム伝搬領域９とする。
（５）ステップ５：エージング工程継続判断工程
前述のエージング工程においては、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の時間に対する変化量を判断しながら行われる。具体的には、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで行われる。
【００４０】
第１の光４の入射を開始した初期の段階では、非線形光学結晶基板１の温度は本工程前の位相整合温度を目標温度として温度制御が行われている。その後、定期的（本実施の形態では１０時間ごと）に温度制御部６で非線形光学結晶基板１の温度を変化させながら各測定温度における出力を測定し、出力が最大となる温度をその時点での位相整合温度として算出する。そして、その算出された温度が位相整合温度であると判断して目標温度を変更し、その段階での位相整合温度である変更後の目標温度に非線形光学結晶基板１の温度を維持した状態で引き続き非線形光学結晶基板１の第１の光４の入射を継続する。この時に、前回（１０時間前）の位相整合温度と今回の位相整合温度の差を求め、その時間変化量を算出する。その変化（すなわち、位相整合温度の単位時間当たりの変化量）があらかじめ定めた基準値より大きければ、第１の光４の入射を継続し、また、その変化（すなわち、位相整合温度の単位時間当たりの変化量）があらかじめ定めた基準値以下になれば、第１の光４の入射を終了する。
【００４１】
以上のように、この工程終了後において、位相整合温度の変化量が収束した波長変換素子３（図２（ｃ））を製造することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態においては、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量の基準値としては、０．００２５℃／ｈｒを用い、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量が０．００２５℃／ｈｒ以下となるまで、エージング工程（すなわち、第１の光４の入射）を続けるように、エージング工程継続判断を行う。
【００４３】
ここで、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量の基準値として、０．００２５℃／ｈｒを用いた理由について説明する。
【００４４】
非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量が、０．００２５℃／ｈｒより大きい場合、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の経時変化が非常に大きいため、一般にレーザ光源の出力光の制御にもちいられるＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御等によって、非線形光学結晶基板１の位相整合温度の経時変化を補完することができないが、０．００２５℃／ｈｒ以下の場合、その補完が行うことができるからである。逆に、ＡＰＣ制御等による位相整合温度の変化に伴う出力の補完を行わない場合には、基準値をより小さい値として、動作中の位相整合温度の変化に伴う出力の低下をレーザ光源装置として許容できる範囲に収めるように波長変換素子３をエージングしても良い。
【００４５】
以上が本発明の実施の形態１における波長変換素子の製造方法である。このように製造された波長変換素子は、その後波長変換ユニットに搭載され、レーザ光源装置等に利用される。
【００４６】
また、図４は実施の形態１における第１の光の照射時間に対する位相整合温度の単位時間当たりの変化量を示す図であり、実施の形態１における波長変換素子３の第２高調波７が１Ｗとなるようにエージング工程を実施した場合の、第１の光４の照射時間に対する非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量を示す。
【００４７】
図４に示すように、第１の光４の照射時間とともに、位相整合温度の時間変化量は徐々に低下し、約６００時間後には、位相整合温度の時間変化量はほとんど無くなることがわかる。また、変化量が常にプラス側であるので、初期の状態から位相整合温度が徐々に高温側にシフト（経時変化）をしていることがわかる。これは、波長変換素子の屈折率が経時変化したため、位相整合温度の変化として観測されているものである。図４に示すように、位相整合温度の時間変化量は飽和現象であり、あらかじめ一定時間、第１の光４を照射することで位相整合温度の変化が飽和し、実使用時の位相整合温度の時間変化量を大幅に改善できる。
【００４８】
また、図５は実施の形態１における第２高調波出力光積算量に対する初期の位相整合温度からの変化量の関係を示す図であり、実施の形態１における第２高調波７の出力をパラメータ（０．５Ｗ、１Ｗ、２Ｗの３種類を図示）とし、第２高調波出力光積算量に対する初期の位相整合温度からの変化量の関係を示している。ここで、第２高調波出力光積算量とは、第２高調波の出力（Ｗ）と第１の光４の照射時間（ｈｒ）の積（Ｗ・ｈｒ）である。図５では、横軸に第２高調波出力光積算量、縦軸に初期の位相整合温度からの変化量を示す。
【００４９】
図５に示すように、初期の位相整合温度からの変化量は第２高調波出力光積算量に依存していることがわかる。このことから、第２高調波の出力が高出力になるように第１の光を照射することにより、第１の光の照射時間を短縮することができる。
【００５０】
また、図５に示すように、実施の形態１における波長変換素子３を用いた場合、第２高調波出力光積算量が６００Ｗ・ｈｒ以上では位相整合温度の変化がなくなり（飽和し）、かつ、初期の位相整合温度からの変化量が１℃であることがわかる。したがって、あらかじめ、第２高調波出力光積算量が６００Ｗ・ｈｒ以上となるようにエージングを行うことにより、位相整合温度の変化が飽和し、さらに、位相整合温度が１℃上昇しているので、実動作時に、位相整合温度を初期状態より１℃高く設定することで、高出力のレーザ光を出力しながら、長時間出力しても出力の低下を抑制することができる。
【００５１】
ここで、従来、出力光の低下を抑制するためにＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御等が行われており、一般的なＡＰＣ制御では、位相整合温度の変化量０．４℃相当程度の第２高調波の出力の低下を補完することが可能である。そのため、上記のエージングとＡＰＣ制御を併用することも可能となる。
【００５２】
すなわち、図５に示すように、第２高調波出力光積算量が６００Ｗ・ｈｒ以上となる場合の初期の位相整合温度からの変化量は１℃であり、第２高調波出力光積算量が２００Ｗ・ｈｒ時の初期の位相整合温度からの変化量は０．６℃であることから、第２高調波出力光積算量が２００Ｗ・ｈｒにて第１の光４の照射をした場合、それ以降の経時的な位相整合温度変化量は０．４℃となる。このため、あらかじめ、第１の光４として基本波と同じ波長の入力光で第２高調波出力光積算量が２００Ｗ・ｈｒとなるようにエージングを行い、さらに、実動作時にＡＰＣ制御を行うことができる。このような制御により、エージング後の波長変換素子は位相整合温度の変化量が０．４℃相当の第２高調波の出力の低下しか起こらないので、この出力の低下をＡＰＣ制御等によって補完して、長時間高出力を維持することができる。すなわち、第２高調波出力光積算量が２００Ｗ・ｈｒ以上になるように、第１の光４の照射をするようにすれば、経時的な第２高調波の出力の低下が抑制され、実用に十分な波長変換素子３を提供することができる。
【００５３】
以上の波長変換素子の製造方法に対して、さらに条件設定を付加して実施することも可能である。以下、その他の詳細な条件について説明する。
【００５４】
第２高調波の出力が０．５Ｗ未満で第１の光を照射した場合には、経時的な第２高調波出力の低下の抑制は観測されなかった。さらに、第２高調波の出力が３Ｗ以上では安定した経時的な第２高調波出力の低下を抑制することはできなかった。そのため、第１の光４の照射条件としては、第２高調波の出力が０．５Ｗ以上３Ｗ未満で行う必要がある。
【００５５】
また、図６は、波長変換素子の連続運転時の高周波出力の時間的変化を示す図であり、従来例の波長変換素子と、実施の形態１における波長変換素子３を比較している。横軸に連続運転時間、縦軸に高周波出力を示す。ここで、実施の形態１における波長変換素子３は、第２高調波７の出力が１Ｗとなるように第１の光４が調整された状態にて、６００時間のエージング工程を行ったものを用いた。また、初期の波長変換素子の第２高調波の出力は、１．５Ｗである。
【００５６】
図６から明らかなように、従来例の波長変換素子では、１００時間経過後の出力は１．３５Ｗであり、初期出力よりも１０％低下している。一方、本実施の形態１の波長変換素子３では、１０００時間経過しても、出力低下が見られない。従って、本発明のエージング処理を施した波長変換素子３は、長時間運転しても、経時的な第２高調波７の出力の低下は観測されなかった。なお、第２高調波７の出力が１Ｗとなるように第１の光４が調整された状態にて、２００時間のエージング工程を行ったもの、すなわち、波長変換素子３の位相整合温度が単位時間当たりの変化量の基準値である０．００２５℃／ｈｒ未満の状態でエージング工程を終了させた場合についても評価を行った。すると、前述の６００時間エージング工程を行ったものと同様に、長時間運転しても、上述のＡＰＣ制御の補完を行った場合には、経時的な第２高調波出力の低下は観測されなかった。
【００５７】
以上のように、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後に、波長変換素子３に前記基本波と同じ波長の第１の光４を照射しておくことにより、位相整合温度の変化をあらかじめ飽和させておくことができるため、高出力のレーザ光を長時間出力した場合においても、経時的な出力の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、非線形光学結晶基板１の分極反転部２の周期を変化させることによって波長変換素子３の位相整合温度を変化させて、位相整合温度に対する第１の光４を照射する効果を調べた。その結果、位相整合温度が４０℃以下では１０００Ｗ・ｈｒ以上のエージング処理を行っても、位相整合温度変化量が飽和するまでには至らなかった。また、位相整合温度が８０℃を超えると第１の光４を照射する効果を安定して得ることができなかった。この結果により、位相整合温度が４０℃より高くから８０℃以下の範囲となるように非線形光学結晶基板１の分極反転部２の周期を設計する必要があることがわかる。
【００５９】
また、エージング工程後の波長変換素子３の保管温度について評価した。６００Ｗ・ｈｒになるように第１の光４の照射を施した波長変換素子３を高温環境下に保管し、その後の位相整合温度の変化量について評価を行った。この波長変換素子３は、第１の光４の照射を施すことによって初期の位相整合温度からは約１℃高温側に位相整合温度が変化しているものである。
【００６０】
図７は波長変換素子の保管温度に対する位相整合温度の変化量を示す図である。横軸は保管温度、縦軸は位相整合温度の変化量を示す。また、高温保管の温度プロファイルは、室温２５℃から２分間で目標温度に変化させ、６０分間保持の後、２分間で室温２５℃に戻すというプロファイルで行った。
【００６１】
図７に示すように、保管温度が８０℃までは第１の光４の照射後と比べて位相整合温度は変化していないが、９０℃以上保管した場合では、エージング工程実施前の位相整合温度の変化量まで完全に回復していることが分かる。
【００６２】
その後、初期の位相整合温度まで回復した波長変換素子を再度連続動作させると、再び初期の位相整合温度から高温側に変化した。このようにエージング処理後に高温環境下で初期の位相整合温度に回復してしまうと、エージングの効果が消滅し、位相整合温度変化を再び引き起こしてしまう。この結果より、エージング工程後には、８０℃以下の温度に波長変換素子３を保管する必要があることがわかる。
【００６３】
なお、本実施の形態として、素子材料としてＭｇＯが５．０ｍｏｌ％含有されたコングルエント組成のＬｉＮｂＯ３を用いて説明しているが、ＭｇＯが５．０ｍｏｌ％含有されたコングルエント組成のＬｉＴａＯ３、ＭｇＯが１ｍｏｌ以上添加された定比（ストイキオメトリック）組成のＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、もしくはＫＴｉＯＰＯ４でも一定条件下のエージング処理により位相整合温度の変化を飽和させることができる。
【００６４】
また、本実施の形態において、光学素子の非線形光学効果を利用した波長変換を例にして説明したがこれは一例であり、分極反転構造を有する光学素子で、分極反転の周期を利用して光の位相を整合させる光学素子や、光とマイクロ波などの速度を整合させる光学素子などに適用できる。また、本実施の形態では、赤外光（１０６４ｎｍ）から可視光（５３２ｎｍ）への変換（第２高調波発生）を例にとり説明したが、分極反転の周期を利用した和周波発生や差周波発生あるいはパラメトリック発振に光の位相を整合させる方式を利用しているものでも適応ができる。
【００６５】
また、本実施の形態において、第１の光４の波長は、１０６４ｎｍのものを用いたが、第１の光４の波長は、１０６４ｎｍ近傍の９００ｎｍ〜１２００ｎｍを用いてもよい。
【００６６】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る波長変換素子の製造方法について説明する。
【００６７】
図８は、この実施の形態２における波長変換素子３の製造方法でのエージング工程を説明する断面図を示すものである。
【００６８】
前述の実施の形態１と異なるのは、波長変換素子３の製造方法におけるエージング工程において、非線形光学結晶基板１に、基本波と同じ波長の第１の光４と、第２高調波と同じ波長の第２の光１０を、第１の光４と第２の光１０が伝播する方向に対し平行に入射するように照射し、この非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで照射する点である。なお、エージング工程の光の照射方法以外は、実施の形態１にて説明した工程を実施することができ、ここでは説明を省略する。
【００６９】
本実施の形態においては、例えば、第１の光４の波長として１０６４ｎｍのものを用い、第２の光１０の波長として５３２ｎｍのものを用いることができる。
【００７０】
この第１の光４と第２の光１０の照射により、非線形光学結晶基板１の内部は、温度調整した状態で１０６４ｎｍの光から第２高調波（５３２ｎｍ）を発生させている状態に近くなる。そのため、エージング中に非線形光学結晶基板１の温度を位相整合温度近傍に保持することなく、実施の形態１でエージングしているのと同様の状態となり位相整合温度をあらかじめ飽和させることができ、波長変換時に高出力を維持することができる。すなわち、非線形光学結晶基板１の温度制御システムを用いる必要がない。その結果として、波長変換素子３のエージングに係る製造コストを削減できるとともに、容易に波長変換素子３の製造をすることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態において、第１の光４の波長は基本波と同じ波長の１０６４ｎｍのものを用いたが、第１の光４の波長は、基本波の波長近傍（９００ｎｍ〜１２００ｎｍ）の波長を用いてもよい。
【００７２】
また、本実施の形態において、第２の光１０の波長は５３２ｎｍを用いたが、第２の光１０の波長は、第２高調波の波長近傍（３５０ｎｍ〜６００ｎｍ）の波長を用いてもよい。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る波長変換素子の製造方法について説明する。
【００７３】
図９は、この実施の形態３における波長変換素子３の製造方法でのエージング工程を説明する断面図を示すものである。
【００７４】
前述の実施の形態２と異なるのは、波長変換素子３の製造方法におけるエージング工程において、非線形光学結晶基板１に、基本波と同じ波長の第１の光４と第２高調波と同じ波長の第２の光１０を、第１の光４と第２の光１０とが非線形光学結晶基板１内で交差するように照射し、この非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量があらかじめ定めた基準値以下になるまで照射する点である。本実施の形態において、第１の光４の波長は１０６４ｎｍを用い、第２の光１０の波長は５３２ｎｍを用いることができる。
【００７５】
このような構成にすることにより、非線形光学結晶基板１への入射時の第１の光４の光軸と、非線形光学結晶基板１への入射時の第２の光１０の光軸を同軸にあわせる必要がなく、また、エージング中に非線形光学結晶基板１の温度を位相整合温度近傍に保持することなく、実施の形態２と同様に位相整合温度をあらかじめ飽和させることができ、波長変換時に高出力を維持することができる。すなわち、第１の光４の光学系と第２の光１０の光学系を比較的容易に設計することができるので、その結果として、波長変換素子３の製造コストを、実施の形態２より、更に削減することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態において、第１の光４の波長は基本波と同じ波長の１０６４ｎｍを用いたが、第１の光４の波長は、基本波の波長近傍（９００ｎｍ〜１２００ｎｍ）の波長を用いてもよい。
【００７７】
また、本実施の形態において、第２の光１０の波長は５３２ｎｍを用いたが、第２の光１０の波長は、第２高調波の波長近傍（３５０ｎｍ〜６００ｎｍ）の波長を用いてもよい。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る波長変換素子の製造方法について説明する。
【００７８】
図１０は、実施の形態４における波長変換素子の製造方法を示すフローチャートである。
【００７９】
前述の実施の形態１と異なるのは、波長変換素子３の製造方法において、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、かつ、エージング工程の前に、温度制御部実装工程（図１０中のステップＡ）を設けている点である。さらに、レーザ光源装置等に用いる波長変換ユニットに非線形光学結晶基板１を組み込んだ状態でエージング処理を行うことが特徴である。以下、温度制御部実装工程について説明し、その他の工程については実施の形態１で説明した各工程，条件と同様であるので説明を省略する。さらに、実施の形態２または実施の形態３のように第２の光１０を照射する方法とすることもできる。
【００８０】
この温度制御部実装工程（ステップＡ）は、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造が形成された非線形光学結晶基板１を温度制御部１２上に実装する工程である。実施の形態１〜３の図３では素子特性を評価するために、温度制御部６に非線形光学結晶基板１を乗せてエージング工程を行い、このエージング工程後に、別途設けた波長変換ユニットに波長変換素子３を固定して最終製品であるレーザ光源装置等に用いていた。一方、本実施の形態では図１１に示すように、温度制御部１２の銅板１３に非線形光学結晶基板１を接着固定し、波長変換ユニットとして実装した後にエージングを行っている点が、図３と異なる。
【００８１】
図１１は、実施の形態４における波長変換ユニットを示す断面図である。
【００８２】
図１１に示すように、波長変換ユニット１１は、温度制御部１２上に銅板１３が接着剤にて接着され、その銅板１３上に非線形光学結晶に周期状の分極反転構造が形成された非線形光学結晶基板１が接着剤にて接着されている。
【００８３】
このような製造方法にすることにより、実施の形態１に比較して、ステップ４のエージング工程における非線形光学結晶基板１の温度制御を、波長変換ユニット１１の温度制御部１２で行うことができる。そのため、非線形光学結晶基板１が、最終製品製造段階で波長変換ユニット１１に組み込まれる工程を削減できる。その結果として、より容易に波長変換ユニット１１を製造することができる。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５係る波長変換素子の製造方法について説明する。
【００８４】
図１２は、実施の形態５における波長変換素子の製造方法を示すフローチャートである。
【００８５】
前述の実施の形態１と異なるのは、波長変換素子３の製造方法において、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、かつ、エージング工程の前に熱処理工程（ステップＢ）を設けている点である。以下、熱処理工程について説明し、その他の工程については実施の形態１で説明した各工程，条件と同様であるので説明を省略する。さらに、実施の形態２または実施の形態３のように第２の光１０を照射する方法とすることもでき、実施の形態４で説明した温度制御部への実装を行うことも可能である。
【００８６】
この熱処理工程（ステップＢ）においては、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造が形成された後の非線形光学結晶基板１を、前述の図３に示すように、温度制御部６上に配置して以下に示すような条件の熱の印加を行う。
【００８７】
次に、図１３、図１４を用いて、本実施形態の効果に関して説明する。
【００８８】
図１３は、実施の形態５における熱処理工程の熱処理時間に対する波長変換素子の初期からの位相整合温度変化量の関係を示す図である。この図１３中には、熱処理工程の熱処理温度、６０℃、７０℃、８５℃、９０℃、１００℃をパラメータとして図示している。
【００８９】
図１３に示すように、熱処理時間が６０℃、７０℃、８５℃、１００℃の場合には位相整合温度が高温側にシフトしていることがわかる。また、熱処理工程の熱処理温度が８５℃の場合、１２５時間程度で位相整合温度が飽和している（位相整合温度の変化が一定になる）ことがわかる。また、熱処理工程の熱処理温度が６０℃や７０℃の場合も、時間は長くなるが同等の飽和温度に近づいている。すなわち、少なくとも１２５時間以上の熱処理工程が必要であることがわかる。しかしながら、熱処理工程の熱処理温度が９０℃の場合には、低温側にシフト後、初期の状態に戻るという特異な変化を示す。さらに、熱処理工程の熱処理温度が１００℃の場合には２０時間後では高温側にシフト後、更に熱処理時間を延ばすと逆に低温側にシフトするという得意な振舞いを示す。このように９０℃以上の熱処理温度では、位相整合温度の変化量は不安定で、安定した位相整合温度変化を得ることができないことがわかる。
【００９０】
次に、熱処理を行った場合と行わなかった場合（実施の形態１）の第１の光４の照射時間に対する非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量の比較に関して説明する。
【００９１】
図１４は熱処理の有無による位相整合温度変化の差を示す図であり、実施の形態５における第１の光４の照射時間に対する非線形光学結晶基板１の位相整合温度の単位時間当たりの変化量を示す図である。ここで、熱処理工程の熱処理温度は８５℃、熱処理時間は１５０時間であり、第１の光４は、第２高調波７が１Ｗとなるような光量にてエージング工程を実施した。図１４に示すように、熱処理を行った場合に比べ、熱処理を行ってない場合は時間変化量が小さく、さらに位相整合温度が飽和するまでの時間も遅いことがわかる。すなわち、波長変換素子３の製造方法において、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成後、かつ、エージング工程の前に所定の熱処理工程を設けることによって、エージング工程の時間を短縮することができる。上記実験結果から、熱処理温度６０℃〜８５℃、熱処理時間１２５時間以上の熱処理を行うことにより、エージング時間を短縮することができ、熱処理時間は８５℃が好ましいことがわかる。
【００９２】
ここで、図１３、図１４に示す結果について考察する。
【００９３】
通常、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３系の結晶は外部電界により周期状の分極反転構造を形成すると、ミクロンオーダの短周期構造で自発分極が反転した領域が隣り合って形成される。このように自発分極が反転した領域の境界を分極壁と呼ぶ。また、結晶の自発分極を反転させると、結晶内部に歪みが生じる。この歪みには、Ｌｉイオンが移動することで発生する電荷の局在と、結晶構造が変化して分極壁に生じる構造的な歪みがある。電荷の局在は自発分極の方向に電荷分布を形成して、自発分極に対向する電界を発生する。この電界は電気光学効果により結晶の屈折率を低下させる。さらに、電荷の局在は浅い不純物準位にトラップされており、時間とともに徐々に放出されるため、電気的な局在は減少する。これが、波長変換素子の位相整合温度を長期に渡り徐々に増加させる経時変化の要因となっていると考えられる。電荷局在の減少を加速するには、温度を上げて不純物準位にトラップされている電荷の移動を加速するのが有効であり、これが本発明の熱処理が有効な理由である。８５℃以下の熱処理を行うことで、分極反転処理、またはプロセスの熱処理で発生した電荷の局在の減少速度を加速させ、位相整合温度の経時変化を抑制できる。一方、熱処理温度を９０℃より高い温度にすると、結晶の屈折率が再び減少し、経時変化が元の状態（経時変化前の状態）にリセットされる現象が観測されている。この理由は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３系の結晶は、温度を９０℃以上に上げると、結晶欠陥に起因する自由電荷が急激に増加することである。これは９０℃以上に温度を上げると光損傷が低減する要因として知られている。自由電荷が増加すると自発分極の内部電界によって結晶内に電荷が局在する状態が再び構築されるため、経時変化がスタート状態にリセットされると考えられる。
【００９４】
以上のように、波長変換素子の製造方法において、非線形光学結晶に周期状の分極反転構造を形成し、かつ、エージング工程の前に熱処理工程を設けることによって、分極反転処理、またはプロセスの熱処理で発生した電荷の局在の緩和速度を加速させることができるので、エージング工程の時間を短縮することができるのである。
【００９５】
なお、本実施の形態では温度制御部６を用いて熱処理を行っているが、恒温槽等を用いて熱処理することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、経時的な出力低下を抑制して長期的に安定した第２高調波を出力することができ、レーザ光源装置等に利用される第２高調波発生波長変換素子の製造方法等に有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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